馬 原，郭小平，羅 超，馮昶棟，任勝男，李 峰

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083；2. 水利部太湖流域管理局, 上海 200434；3. 烏海市新星煤炭有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 烏海 016000）

隨著近年來國家煤炭開發(fā)戰(zhàn)略的西移，長期高強度的露天煤礦開采導(dǎo)致西部干旱礦區(qū)植被退化、土地荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。西部礦區(qū)生態(tài)損毀特點與東部礦區(qū)有較大差異，原有的應(yīng)用于中部、東部礦區(qū)的許多生態(tài)修復(fù)技術(shù)已無法在西部繼續(xù)沿用[2]。此外，干旱礦區(qū)的土壤資源缺乏，但表土剝離和利用工作一直沒有得到重視，導(dǎo)致大量寶貴的土壤和種子資源被浪費，而種子資源的缺乏是影響植被恢復(fù)的關(guān)鍵因素[3]。土壤種子庫指存在于土壤表層凋落物和土壤中全部存活種子的總和[4]。如今，“近自然生態(tài)修復(fù)”理念已成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)新的共識和目標(biāo)[5]，目前研究普遍認(rèn)為，土壤種子庫作為表土資源的重要組成部分，可以被看成是潛在的植被群落，對地上植被的更新與恢復(fù)具有重要作用[6-9]，利用土壤種子庫進(jìn)行植被恢復(fù)可以最大程度達(dá)到近自然恢復(fù)的目的，從而提升植被恢復(fù)效果、有效避免外來物種入侵、提升生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。關(guān)于土壤種子庫在植被恢復(fù)方面的應(yīng)用研究較多[11-14]，而土壤種子庫應(yīng)用于植被恢復(fù)的前提和關(guān)鍵，便是有效進(jìn)行種子庫激活[15-16]，提高種子庫中種子的萌發(fā)率[17]。目前許多研究通過施加不同水分、改善土壤微環(huán)境等方式激活土壤種子庫，其中水分是關(guān)鍵的影響因子之一：現(xiàn)有研究表明，在不同研究區(qū)生境下，不同水分供應(yīng)會對土壤種子庫的萌發(fā)及植物群落的多樣性產(chǎn)生影響[18-21]。在灌溉成本較高、條件有限的干旱礦區(qū)，土壤水分的主要來源為大氣降水[22]，但針對土壤種子庫(特別是持久土壤種子庫)在天然降水條件下激活情況的研究依然匱乏[23-27]。本研究以內(nèi)蒙古烏海市新星露天煤礦周邊自然區(qū)域為研究區(qū)，通過野外調(diào)查采樣和人工模擬降水下種子庫中種子短期萌發(fā)試驗的方法，對研究區(qū)內(nèi)0 - 5 cm表層土壤持久土壤種子庫的特征及其在不同降水條件下的種子萌發(fā)數(shù)量、物種萌發(fā)數(shù)量及萌發(fā)物種群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過對不同降水條件下土壤種子庫激發(fā)效應(yīng)的研究，以期為我國西北干旱礦區(qū)表土資源的保護、土壤種子庫植被恢復(fù)潛力的研究提供理論支撐和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏海市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地處我國西北干旱荒漠區(qū)東緣、黃河上游[28]。該區(qū)域氣候?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍募狙谉?，冬季寒冷，年最高氣?8.6 ℃，年最低氣溫-32.6 ℃，年平均氣溫7.8～8.2 ℃；氣候干燥，年降水量87.8～357.6 mm，平均173 mm，年蒸發(fā)量3 132.1～3 919.3 mm，平均3 485.1 mm。常年缺水，僅在7月 - 9月為雨季，并常以暴雨形式產(chǎn)生突然降水。全年除夏季外多風(fēng)沙，一般為西北風(fēng)，平均風(fēng)速3.1 m·s-1，最大風(fēng)速28 m·s-1。

新星露天煤礦位于烏海市海勃灣區(qū)，首采開始于2014年，設(shè)計開采年限4.7年，但因年開采量少于設(shè)計值，該礦目前仍在開采中。礦區(qū)周邊土壤以風(fēng)沙土為主，鹽堿化程度高、保水性差[29-30]。礦區(qū)植被稀疏，主要灌木種有四合木(Tetraena mongolica)、貓頭刺、半日花(Helianthemum songaricum)等，主要草本有沙生針茅(Stipa glareosa)、無芒隱子草(Cleistogenes songor)等[31]。

1.2 研究方法

1.2.1礦區(qū)持久土壤種子庫采樣

根據(jù)種子在土壤中存留的時間，土壤種子庫可劃分為瞬時土壤種子庫(transient soil seed bank, TSSB)和持久土壤種子庫(persistent soil seed bank, PSSB)兩大類，其中瞬時土壤種子庫在土壤中存活不超過1年，持久土壤種子庫在土壤中存活1年以上[32]。持久土壤種子庫采樣應(yīng)在種子萌發(fā)完成之后、新種子成熟和散布開始之前進(jìn)行，在主要植物種為多年生植物和夏季一年生植物的群落中，應(yīng)該在夏季采集持久土壤種子庫的土樣[33]。本研究區(qū)植被以灌木、多年生和夏季一年生草本為主，散種時間一般在8月末至10月，故本研究于2019年6月下旬進(jìn)行持久土壤種子庫采樣，在礦區(qū)周邊干擾較低區(qū)域選擇樣地14個，在每個樣地內(nèi)劃分5 m × 5 m的樣方各3個，在每個樣方內(nèi)用環(huán)刀按“五點法”取樣5個，取樣深度0 - 5 cm，并將相同樣方所取土樣混合并裝袋。研究區(qū)概況及采樣點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況及采樣點分布Figure 1 Overview of the study area and distribution of sampling points

1.2.2土壤種子庫室內(nèi)短期萌發(fā)試驗

土壤種子庫的室內(nèi)萌發(fā)試驗在北京林業(yè)大學(xué)苗圃溫室進(jìn)行，溫室內(nèi)溫度約20 ℃，濕度約70%，光照為自然光，光照時間為每天05:00 - 19:30。將采集到的土壤種子庫樣本通風(fēng)干燥、過篩去除雜物后，鋪覆在裝有8 cm的高溫滅菌細(xì)沙的萌發(fā)盆內(nèi)，鋪覆厚度約2 cm。種子萌發(fā)前，每天澆水2次以保持土壤濕潤，并在試驗前三天噴灑適量濃度的赤霉素(GA3,0.05%)以打破種子休眠，同時在萌發(fā)盆上方覆蓋無紡布以避免陽光直曬和外來種子的影響。種子萌發(fā)后，對可鑒別的植物幼苗進(jìn)行物種鑒定并計數(shù)后拔除，直至對盆中全部幼苗均可鑒別出物種為止。試驗后期可適當(dāng)翻動土壤，并再次噴灑赤霉素以打破種子休眠，盡量使土壤中種子全部萌發(fā)。若萌發(fā)盆中連續(xù)15 d不再有新種子萌發(fā)，即認(rèn)為萌發(fā)完全，結(jié)束萌發(fā)試驗。萌發(fā)試驗時間為2019年7月 - 10月中旬，持續(xù)3個半月。

1.2.3模擬天然降水土壤種子庫激活試驗

查閱烏海近5年(2015-2019年)降水資料，并在排除無效降水(1 mm以下)和超滲產(chǎn)流的情況下統(tǒng)計當(dāng)?shù)厣L季(5月 - 9月)的有效降水量，可知2015-2019年烏海5月 - 9月降水量在46～158 mm。故本試驗日降水量設(shè)置1、3、5、10和20 mm共5個層次，年降水量設(shè)置50、90、120和150 mm共4個層次，以分別模擬枯水年、平水年和豐水年的生長季降水量；模擬降水過程的時長設(shè)置為8周，參考依據(jù)為5月 - 9月各月降水頻次，分配不同生長季降水量下各周降水量(表1)。

表1 不同年降水量下的日降水量分配Table 1 Daily precipitation distribution under different annual precipitation gradients

2020年6月下旬，在新星煤礦南側(cè)干擾較低區(qū)域采集0 - 5 cm表土(主要為持久土壤種子庫)，在礦區(qū)項目部外進(jìn)行野外實地萌發(fā)試驗，試驗用萌發(fā)盆規(guī)格為40 cm × 40 cm × 15 cm。同時，為探究礫石覆蓋對土壤種子庫激活的影響，特在每個降水量下分有礫石覆蓋組和無覆蓋組。試驗共設(shè)置試驗組8個，將采集到的土壤通風(fēng)干燥、過篩去除雜物后鋪設(shè)在萌發(fā)盆中，底土鋪設(shè)厚度約10 cm，表土鋪設(shè)厚度約3 cm，其中有礫石覆蓋組需覆蓋粒徑為1 ～ 2 cm的礫石，覆蓋度約70%。為增加試驗組數(shù)以減少誤差，在每個降水量下分別單獨設(shè)置3個無礫石覆蓋、規(guī)格20 cm × 20 cm × 10 cm的小萌發(fā)盆試驗對照組，共設(shè)置對照組12個。根據(jù)萌發(fā)盆大小和試驗中不同降水量設(shè)計，換算出不同施水量后對試驗組和對照組進(jìn)行施水，大萌發(fā)盆對應(yīng)施水量為160、480、800、1 600和3 200 mL，小萌發(fā)盆對應(yīng)施水量為40、120、200、400和800 mL，施水時間均在傍晚。每日觀察并記錄萌發(fā)盆中萌發(fā)的物種和個數(shù)，直至鑒別出全部萌發(fā)物種為止。試驗時間為2020年7月-9月。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 2018制作折線圖及柱狀圖；對不同年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換多元方差分析。置換多元方差分析使用Bray-Curtis距離測度，所有過程使用R 3.6.3的vegan包中的“adonis”函數(shù)進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 礦區(qū)持久種子庫特征

礦區(qū)土壤種子庫物種組成和數(shù)量的調(diào)查分析結(jié)果(表2)顯示，研究樣地土壤種子庫共萌發(fā)出植物種34種，隸屬于8科29屬，以藜科和禾本科種類最多，占比達(dá)到23.53%；蒺藜科與豆科次之，達(dá)14.71%；菊科、大戟科、檉柳科、百合科種類最少，占比達(dá)5.88%。其中持久土壤種子庫密度約為209?！-2。從持久種子庫密度看，冷蒿、沙蒿(Artemisia desertorum)和小畫眉草的持久種子庫密度處于一個較高水平。從物種生活型來看，種子庫中以多年生草本和一年生草本為主，分別占總體的41.18%和35.29%，灌木類物種以8個物種、23.53%的占比在種子庫中比重最低。

表2 新星礦區(qū)持久土壤種子庫物種組成和密度Table 2 Species composition and density of persistent soil seed bank in Xinxing mining area

2.2 不同降水條件下的種子庫萌發(fā)進(jìn)程

不同降水量下土壤種子庫不同物種的萌發(fā)進(jìn)程不同(圖2)。經(jīng)過54 d的動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著降水量增大，土壤種子庫萌發(fā)時間逐漸提前，50 mm降水量試驗組在第9天開始萌發(fā)，90 mm降水量試驗組在第8天開始萌發(fā)，120和150 mm降水量試驗組在第6～7天開始萌發(fā)。各降水量下土壤種子庫不同物種萌發(fā)出苗的數(shù)量隨日降水量的增加而增加，種子累計萌發(fā)出苗的數(shù)量隨降水量的不斷增加而增大，直至降水量最大時累計萌發(fā)數(shù)量達(dá)到頂峰。隨后，隨著降水量逐漸減小，雖一直保持降水，但土壤種子庫累計萌發(fā)數(shù)量不再增多，表明土壤種子庫可萌發(fā)數(shù)量達(dá)到了對應(yīng)降水條件下的極限值。

圖2 不同降水量下土壤種子庫萌發(fā)進(jìn)程Figure 2 Germination process of soil seed bank for different precipitation indices

在降水量為50 mm時，土壤種子庫中有礫石覆蓋物種的累計萌發(fā)數(shù)量均大于無礫石覆蓋的同物種累計萌發(fā)數(shù)量；在降水量為90 mm時，蒺藜(Tribulus terrestris)的累計萌發(fā)數(shù)量開始發(fā)生變化，出現(xiàn)了無礫石覆蓋大于有礫石的情況；在降水量為120 mm時，豬毛蒿(Artemisia scoparia)、狗尾草(Setaria viridis)、鹽生草(Halogeton glomeratus)也出現(xiàn)了無礫石覆蓋下物種累計數(shù)量超過有礫石覆蓋的情況；在降水量升至150 mm后，包括小畫眉草、沙蒿等，更多的植物展現(xiàn)出以上特征。

2.3 不同日降水量對土壤種子庫的激活效應(yīng)

不同日降水量對土壤種子庫的激活效應(yīng)野外試驗中共萌發(fā)了15個物種, 隸屬7個科。不同的物種對水分的需求不同(圖3)，不同日降水量對土壤種子庫的激活效應(yīng)存在顯著效應(yīng)。隨日降水量的增加，激活的土壤種子庫物種數(shù)和種子萌發(fā)數(shù)量均呈先增加后下降趨勢，在5 mm降水量時達(dá)到最大萌發(fā)數(shù)量，在10 mm降水量時達(dá)到最大萌發(fā)物種數(shù)。

圖3 不同日降水量對激活土壤種子庫的影響Figure 3 Influence of different daily precipitation on activation of the soil seed bank

具體而言，在日降水量1 mm時，土壤種子庫中僅小畫眉草1個物種被激活，且該物種僅有一個種子萌發(fā)；在日降水量3 mm時，土壤種子庫中有鹽生草和冷蒿2個物種被激活；在日降水量5 mm時，土壤種子庫中有沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、沙蒿、無芒隱子草、狗尾草和蒙西黃耆(Astragalus steinbergianus) 5個物種被激活；在日降水量10 mm時，土壤種子庫中最后剩余的7個物種被激活，分別為灰綠藜(Chenopodium glaucum)、豬毛蒿、沙生針茅、貓頭刺、紅砂、蒺藜和北高山大戟(Euphorbia alpina)；但當(dāng)日降水量為20 mm時，被激活的物種數(shù)開始下降，僅有8個物種被激活，分別為灰綠藜、沙蒿、冷蒿、無芒隱子草、小畫眉草、沙生針茅、紅砂和北高山大戟。

綜合以上結(jié)果，不同植物種子萌發(fā)所需水分不同。本研究中的小畫眉草在日降水量為1 mm時即有種子萌發(fā)，也就是說其僅需很少的水分即可對激活效應(yīng)進(jìn)行響應(yīng)，同時小畫眉草在之后不同日降水量下均有響應(yīng)；而灰綠藜、豬毛蒿等草本及紅砂、貓頭刺等灌木只有在日降水量達(dá)到10 mm時才能萌發(fā)，萌發(fā)對水分要求較多；同時在日降水量再次增加達(dá)到20 mm時，包括鹽生草、沙蓬在內(nèi)的7種植物反而不能萌發(fā)。

2.4 不同年降水量對土壤種子庫的激活效應(yīng)

不同年降水量對土壤種子庫的激活效應(yīng)也存在顯著差異。從土壤種子庫萌發(fā)數(shù)量上看(表3)，當(dāng)年降水量為50 mm時，土壤種子庫中萌發(fā)的物種數(shù)較少，降水量增加至90 mm后萌發(fā)物種數(shù)隨之增加，至降水量較大(120、150 mm)，物種幾乎全部萌發(fā)。同樣，在降水量為50 mm時，各物種最大萌發(fā)數(shù)量較少，而當(dāng)降水量增加，各物種最大萌發(fā)數(shù)量隨之增加。4個年降水量下，小畫眉草、冷蒿等植物均有萌發(fā)，且累計萌發(fā)數(shù)量均在土壤種子庫中前列，可以作為研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)的參考物種。

表3 不同年降水量激活的土壤種子庫種子數(shù)量Table 3 Number of seeds in the soil seed bank activated by different annual precipitation

從激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)上看，置換多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance,PERMANOVA)結(jié)果表明，不同年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)在整體上呈現(xiàn)顯著差異(P＜0.05) (表4)；其中50和120 mm、50和150 mm兩組年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)差異顯著(P＜ 0.05)，同時，50和90 mm、90和150 mm兩組年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)也存在相對較明顯的差異(P= 0.108) (表5)。

表4 不同年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)置換多元方差分析Table 4 The PERMANOVA of the community structure of the soil seed bank activated under different annual precipitations

表5 不同年降水量下激活土壤種子庫的群落結(jié)構(gòu)差異矩陣Table 5 Difference matrix of the community structure of activated soil seed bank under different annual precipitations

在設(shè)計的年降水量范圍內(nèi)，激活的種子數(shù)量占土壤種子庫儲量的16.46%～68.52%(表6)，激活的物種數(shù)占土壤種子庫物種總數(shù)的25.00%～62.50%，隨著年降水量的增加，二者均呈上升趨勢，至150 mm時達(dá)到最大。

表6 不同年降水量下土壤種子庫的激活率Table 6 Activation rate of soil seed bank under different annual precipitation indices

3 討論

礦區(qū)持久土壤種子庫所展現(xiàn)出來的特征與相似生境下所得出的研究結(jié)論相仿[34-35]，說明該生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定[36]。因此在我國西北干旱、半干旱礦區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)的過程中，應(yīng)主要依靠當(dāng)?shù)赝寥婪N子庫中的多年生和一年生草本植物種子，在區(qū)域氣候條件良好或具備灌溉條件時，可適當(dāng)補充灌木種子，以達(dá)到更好的防護效果[37]。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著日降水量的逐漸增加，土壤種子庫中種子萌發(fā)情況呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在日降水量5 mm時種子萌發(fā)數(shù)量達(dá)到峰值。本研究中種子萌發(fā)趨勢變化規(guī)律與徐海量等[19]和李淑君等[23]所作研究相似，但因研究區(qū)域自然條件和土壤種子庫組成不同，使得種子萌發(fā)數(shù)量達(dá)到峰值所需日降水量不盡相同。而蘇瑩等[38]認(rèn)為，降水量增加可有效提升種子萌發(fā)數(shù)量；研究得出不同結(jié)論的原因可能是，其在研究中設(shè)計的模擬降水量最大值較小(日降水量3 mm)，所設(shè)計降水量尚未滿足種子萌發(fā)數(shù)量最大值要求。因此，在植被恢復(fù)初期適當(dāng)增加土壤水分的補充，可有效促進(jìn)種子庫中種子的萌發(fā)，從而增進(jìn)植被恢復(fù)效果。

本研究發(fā)現(xiàn)土壤種子庫中不同物種對不同日降水量的響應(yīng)狀態(tài)不同。不同植物種子在不同日降水量條件下的萌發(fā)與否，與其自身的特性息息相關(guān)：蒺藜和灰綠藜等種子的種皮厚而堅硬，在水分較少的情況下很難令種皮膨脹、軟化[39]，從而使更多的氧氣透過種皮進(jìn)入種子內(nèi)部、使二氧化碳透過種皮排出；在水分較多的情況下，種子部分浸泡在水里從一定程度上隔絕了氧氣，不同種子的種皮厚度和萌發(fā)需氧量均不相同，過多的水分也可能會抑制種子的萌發(fā)[40]?？紤]到本研究中不同物種萌發(fā)的適宜含水量不同，導(dǎo)致土壤種子庫的種子萌發(fā)數(shù)量和萌發(fā)物種數(shù)達(dá)到峰值時所對應(yīng)的日降水量不同，若想在一個區(qū)域內(nèi)使萌發(fā)種子數(shù)和物種數(shù)均達(dá)到最大，還需對不同日降水量進(jìn)行詳細(xì)研究。同時，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)小畫眉草在本研究所設(shè)置的不同日降水量下均可萌發(fā)，且萌發(fā)數(shù)量在土壤種子庫所含各物種中位居前列，可考慮為本研究區(qū)合適的生態(tài)恢復(fù)物種。

本研究表明在設(shè)計年降水量范圍內(nèi)，隨著年降水量的增加，土壤種子庫中萌發(fā)的物種數(shù)量及種子數(shù)量隨之增加；在相同年降水量下，有無礫石覆蓋會對土壤種子庫的萌發(fā)情況產(chǎn)生影響，且因年降水量大小不同，礫石覆蓋所產(chǎn)生的影響不同。礫石覆蓋能夠改善土壤表層微環(huán)境，在水分虧缺時起到減少蒸發(fā)、存蓄水分的作用，有利于種子萌發(fā)和幼苗生長[41]；而當(dāng)降水量較大(水分不為限制因素)時，部分種子也會因為礫石阻礙，萌發(fā)、生長受限，從而使得無礫石覆蓋組的萌發(fā)率高于有礫石覆蓋組；因此年降水量為150 mm時，有礫石覆蓋的種子萌發(fā)情況差于無礫石覆蓋。

年降水量的變化會對種子的萌發(fā)情況造成影響[42]。不同年降水量激活的土壤種子庫物種組成和群落結(jié)構(gòu)差異顯著，土壤種子庫萌發(fā)的種子數(shù)量與物種數(shù)量隨年降水量的增加，表現(xiàn)出先增加后平緩的趨勢[43]，本研究也得到類似結(jié)論；但與物種組成差異不顯著的研究結(jié)果存在不同[17]。造成以上研究結(jié)果差異的原因主要為由于李淑君等[23]研究區(qū)域處于半干旱區(qū)，整體降水量較大，因此設(shè)計降水范圍在190～390 mm。而本研究通過調(diào)查當(dāng)?shù)囟鄠€年份實際有效降水情況，并綜合考慮枯水年、平水年、豐水年降水量的不同，所設(shè)計年降水量范圍較低(50～150 mm)。在平水年，持久土壤種子庫的激活效率在33.68%～64.31%，而豐水年降水條件下的激活效率甚至能達(dá)到近70%，此時若能充分利用降水資源，基本無需過多灌溉養(yǎng)護。由于種子休眠等因素[44]，持久土壤種子庫中有一定的種子資源未被激活，此時可輔以適度的水肥施加[12]、化學(xué)處理等人工措施[45-46]，同時還可以進(jìn)行適量的補種或者幼苗栽植，從而達(dá)到近自然植被群落恢復(fù)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

1)日降水量的變化對土壤種子庫的激活效應(yīng)存在顯著差異，隨著日降水量的增加，激活的土壤種子庫的種子數(shù)和物種數(shù)均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，二者在10 mm日降水時達(dá)到最大。

2)不同日降水量對植物種子萌發(fā)率的影響存在物種特異性，種子數(shù)量最多的小畫眉草、冷蒿在3 ～20 mm日降水均能被激活，而灰綠藜、豬毛蒿等草本及紅砂、貓頭刺等灌木種子需在10 mm以上降水量才能被激活。

3)在50～150 mm年降水量范圍內(nèi)，土壤種子庫萌發(fā)的物種組成和群落結(jié)構(gòu)差異顯著(P＜ 0.05)。激活的種子數(shù)量和物種數(shù)均呈現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的趨勢，激活的種子數(shù)量占土壤種子庫儲量的16.46%～68.52%，激活的物種數(shù)占土壤種子庫物種總數(shù)的25.00%～62.50%。